JP7299722B2 - 基地局機能と照明機能を併せ持つ機器、基地局、照明装置および道路灯 - Google Patents

Description

本発明は、基地局機能と照明機能を併せ持つ道路灯に関する。また、基地局機能と照明機能を発揮する各種の機器に関する。さらに、両機能を備えた基地局や照明装置に関する。

現在、第五世代移動通信（５Ｇ）の技術開発および標準化が世界的に目まぐるしく押し進められている。従来の３Ｇと４Ｇは、通信速度の違いだけで 、使用されている周波数帯域がほぼ同じであるから、半導体や無線などの技術がほぼ共通していた。これに対し、５Ｇ向けの周波数帯域として、従来の３．６ＧＨｚ以下の帯域に加えて、３．７ＧＨｚや４．５ＧＨｚなどの６ＧＨｚ未満の帯域や、さらに実用化可能な高周波数帯域の候補として、２０～９０ＧＨｚの範囲内で２８ＧＨｚ、３９ＧＨｚ、７３ＧＨｚなどの複数の高周波数帯域が提案されている。

このように、５Ｇでは、使用周波数帯域が一桁上がるため、大きな技術的飛躍が必要になる。また、５Ｇでは、携帯端末ごとに、光ファイバーと同レベルの高速通信や大容量通信を実現するため、これについても大きな技術的飛躍を要する。

５Ｇ実現のためには、スモールセル（半径２００メートル程度の通信可能エリア）と呼ばれる小型基地局を多数配置し、それぞれの基地局を高さ１０メートル程度の位置に設ける必要がある。

多数の小型基地局をどこに設置するかという問題に対し、既存の電柱に設置する案があるが、都市部においては電線の地中化などで電線が地上からなくなりつつあるので、小型基地局を中・長期的に使用するには適さない。一方、小型基地局を道路灯へ設置する案は、中・長期的な使用にも適し、採用される可能性が高い。なお、街路灯に通信用のアンテナを併設する事例が、特許文献１にある。

また、移動通信、特に陸上移動通信においては、電波伝搬路に存在する建物などの障害物への対策が重要となる。発信側からの電波は、障害物での反射、回折、散乱によって多重伝搬路を進行し、多重波となって受信側に届く。受信側では、その多重波同士の干渉によってマルチパスフェージングが生じてしまう。マルチパスフェージングとは、「多重伝搬路による受信電波の変動」を意味する。

この対策としては、アダプティブ・アレイ・アンテナ（単に、アレイ型アンテナとも呼ぶ。）を用いたビームフォーミング（指向性電波形成）技術が有効である。この技術は、電波を特定の方向だけに集中させて、電波を発信する方向を変える、絞り込むといったことができる。その結果、移動側の端末との間で、単一の伝搬路が形成され、多重伝搬路による受信電波の変動を回避できる。その例が、特許文献２に記載されている。

具体的には、アレイ型アンテナを構成する多素子アンテナの各素子から発せられる電波の振幅および位相がアダプティブ制御（適用制御）され、多素子アンテナの各素子から発せられる電波が互いに強め合ったり弱め合ったりすることで、特定の方角に強く、他の方角に弱いといった指向性パターンを有した電波が形成され、電波発信方向を電気的に変えることができる。つまり、特定方向に対するアンテナ利得が増加または減少する。

さらに、特許文献２のアレイ型アンテナでは、複数の移動端末に対して、それらの方向へ指向性電波を時分割で多重形成するように構成されている。指向性電波が移動端末ごとに形成されることで、多重伝搬路による受信電波の変動を回避しつつ、同時に複数の移動端末と通信することが可能になる。

特開２０１７－１３９２３０号公報 特開２０１５－１２５６８号公報

特許文献１では、街路灯の支柱（符号Ｐ）の頂部に、アンテナ（符号ＡＮＴ）と照明器具とが独立して設置されている。また、アンテナは、情報発信源の基地局ＢＣから電波を受信する機能、および、受信信号を他の道路灯へ転送する機能を有している従来型のアンテナに過ぎない。アンテナと照明器具が独立して設置されているため、必要な設置スペースが大きくなってしまい、省スペース化の課題がある。

また、特許文献２には、指向性電波の制御機能を有するアレイ型アンテナが示されているが、今後このようなアンテナからなる小型基地局を多数設置する場合に、その設置場所の確保という課題がある。

本発明の目的は、基地局機能および照明機能を併せ持つ機器に関し、基地局機能には指向性電波の制御機能が含まれており、省スペース化を図れて、設置場所を容易に確保できるような機器の提供である。

発明者らは、基板の同一面に、複数の発光素子と複数のアンテナ素子を配置することで、指向性電波の制御機能と照明機能を両立できるコンパクトな基板を構成できることに着目し、本発明の完成に至った。

すなわち、本発明に係る基地局機能と照明機能を併せ持つ機器は、
少なくとも一方の表面に配置された複数のアンテナ素子と複数の発光素子とを有する基板を備え、
複数の前記アンテナ素子は、電波の指向性を制御可能なアレイ型アンテナを形成し、
同じ前記基板に複数の前記発光素子と複数の前記アンテナ素子の両方がそれぞれ平面状に配置されていることを特徴とする。

この構成の機器であれば、複数の発光素子が配置されている面（発光面と呼ぶ。）と、複数のアンテナ素子が配置されている面（アンテナ面と呼ぶ。）とが同じ基板表面に形成されているから、基地局機能と照明機能を併せ持った機器を容易に製造することができて、かつ、同一基板に形成できるという点で機器の省スペース化を実現することができる。

また、照明用の発光面と同じ表面に形成されたアレイ型アンテナのアンテナ面からは、その指向性電波の制御機能によって、鋭いビーム状電波が形成され、かつ、そのビーム状電波の方向を変化させることができる。

従って、小型基地局と移動端末との間で、高速通信・大容量通信を実現させるために、指向性電波の制御機能をもった小型基地局を多数設置したい、という場合に、省スペース化を実現できる本発明の基地局機能と照明機能を併せ持った機器が、その設置場所の確保の点で最適である。例えば、既存の照明設備を、本発明の基地局機能と照明機能を併せ持った機器に置き換える手法が採用されやすくなるからである。

また、本発明の基地局機能と照明機能を併せ持つ機器において、１つの前記発光素子ごとに、または、複数の前記発光素子ごとに、反射鏡またはレンズが配置され、当該反射鏡またはレンズは、前記発光素子の照射方向を変えるように形成されていることが好ましい。

上記構成では、同じ基板表面に発光素子とアンテナ素子が配置されているため、発光素子の照射方向が、アンテナ面の法線方向と同じになる。しかし、本発明の構成では、さらに、１つの発光素子ごとに、または、複数の発光素子ごとに反射鏡が設けられているから、発光素子の照射方向を、アンテナ面の法線方向とは異なる方向に設定することができる。反射鏡の代わりに、レンズを用いてもよい。その結果、同じ基板表面に発光素子とアンテナ素子を配置しても、発光素子の照射方向が固定化されず、照射の目的に応じた方向への照射が可能になって、照明の用途が広がる。

また、本発明の基地局機能と照明機能を併せ持つ機器において、
１つの前記発光素子ごとに、または、複数の前記発光素子ごとに、光学的な反射集光素子が配置され、
当該反射集光素子は、
前記発光素子からの照射光の入射面と、
入射した照射光を全反射させる内部反射面と、
その全反射後の照射光を照射目標に向けて出射させる出射面と、を有し、
前記出射面には、フレネルレンズ構造が形成されていることが好ましい。

上記構成の機器であれば、前述の反射鏡またはレンズが配置されている場合と同様の効果が得られるだけでなく、内部反射面における全反射によって、発光素子からの照射光の向きを効率よく変えることが可能で、かつ、フレネルレンズ構造を有する出射面によってコンパクトな光学素子を形成でき、照射光を無駄なく照射することができる。

また、本発明の基地局機能と照明機能を併せ持つ機器は、さらに、
外部からの交流電源から、複数の前記発光素子への照明用直流電力に変換生成する直流電源回路と、
複数の前記アンテナ素子への駆動電圧を生成供給する基地局回路と、を備え、
前記直流電源回路が生成した照明用直流電力の一部が前記基地局回路へ供給されるように、前記直流電源回路と前記基地局回路が接続されていることが好ましい。

通常、照明用の直流電源回路は、例えば外部の交流電源を電力変換して、発光素子のちらつきが生じない程度の低ノイズの直流電力を生成するように構成されている。従って、上記構成の機器であれば、基地局機能の制御手段としての基地局回路が、照明用の直流電源回路から低ノイズの良質な直流電源の供給を受けるので、良好な通信状態が得られやすくなる。

また、本発明の基地局機能と照明機能を併せ持つ機器において、前記アレイ型アンテナのアンテナ面が垂直に設けられていることが好ましい。アレイ型アンテナの指向性制御によって、鋭いビーム状電波の発射方向をさまざまなに変化させることができるが、基地局機能としては、通常、指向性の方向は主に水平になるように制御される。従って、上記構成の機器であれば、アレイ型アンテナのアンテナ面を垂直にすることで、指向性制御下でのアンテナの利得を高めることができる。

また、発光素子の照射方向を変えるための反射鏡、レンズなどが設けられている機器の場合、アレイ型アンテナによる指向性の方向を主に水平にしつつ、照射方向については照射の目的の方向に向ける、といった使用方法が可能になる。

また、本発明の基地局機能と照明機能を併せ持つ機器において、前記アレイ型アンテナのアンテナ面が、垂直面に対して０°より大きく２０°以下の角度で斜め下向きの傾斜面を形成していることが好ましい。

アンテナ面の傾きが、垂直面に対して０°より大きく２０°以下の角度の範囲であれば、指向性制御下でのアンテナの利得をある程度高く維持できる。また、反射鏡、レンズなどを設けて、発光素子の照射方向を機器の下方または斜め下方に向けたい場合には、アンテナ面（照射面）が、垂直面に対して０°より大きく２０°以下の角度で斜め下向きであれば、都合がよい。従って、アンテナ面を垂直面に対して０°より大きく２０°以下の角度で斜め下向きにすることで、アンテナの利得をある程度高く維持しつつ、機器の下方または斜め下方を照射できるという効果が得られる。

また、本発明の基地局機能と照明機能を併せ持つ機器において、前記発光素子と前記アンテナ素子とは少なくとも使用電波の１波長分以上の間隔で配置されていることが好ましい。この構成の機器によれば、発光素子とアンテナ素子の間隔が適切であるため、電波の送信または受信の際に、両者間での影響を防止できる。例えば、誘導電流が発光素子に流れることを抑制することができる。

本発明に係る基地局は、上記の基地局機能と照明機能を併せ持つ機器を備えることを特徴とする。また、本発明に係る照明装置は、上記の基地局機能と照明機能を併せ持つ機器を備えることを特徴とする。また、本発明に係る道路灯は、上記の基地局機能と照明機能を併せ持つ機器を備えることを特徴とする。

また、本発明の道路灯において、前記基板の表面の上側エリアに複数の前記アンテナ素子を備えるアンテナ面が形成され、前記基板の表面の下側エリアに複数の前記発光素子を備える発光面が形成されていることが好ましい。

この構成の道路灯によれば、基板表面においてアレイ型アンテナのエリアと発光素子のエリアとを上下に分離したことで、上側のアンテナ面からは主に水平方向への指向性電波が発射され、下側の発光面からは主に下方または斜め下方へ照射光が照射されることになる。従って、本発明の道路灯であれば、アンテナ面からできるだけ遠方に電波を届けることが可能となり、発光面から機器の下方や斜め下方に照射光を導きやすくなる。

また、本発明の道路灯は、複数の前記基板を含み、複数の前記基板は、各々の素子配置面が外向きになる姿勢で、当該道路灯を支持する構造物の中心軸の周りに配置されている、ことが好ましい。

道路灯を支持する構造物の中心軸とは、例えば、道路灯用の支柱の中心軸などを表す。この構成の道路灯によれば、道路灯を支持する構造物の中心軸の周りに配置された複数の基板が、それぞれアレイ型アンテナの指向性制御を実行できるので、ほぼ水平方向に３６０度の方位角で指向性電波を発射させることができる。また、照明光についても、道路灯の下方および斜め下方に向けて、道路灯を支持する構造物の中心軸の周りを全周に渡って照射することができる。

このように、本発明の構成によれば、基地局機能および照明機能を併せ持つ機器に関し、その基地局機能には指向性電波の制御機能が含まれており、省スペース化を図れて、設置場所を容易に確保できるような機器を提供することができる。また、このような基地局機能および照明機能を併せ持つ機器を備える基地局、照明設備または道路灯についても、同様の効果が得られる。

第１実施形態に係る基地局機能と照明機能とを併せ持つ機器の概略構成図。 第２実施形態に係る道路灯兼５Ｇスモール基地局の概略構成図。 第３実施形態に係る道路灯兼５Ｇスモール基地局の概略構成図。 前記第２実施形態の道路灯兼５Ｇスモール基地局の設置状態を示す立面図。 前記第３実施形態の道路灯兼５Ｇスモール基地局の設置状態を示す立面図。 前記第２実施形態の道路灯兼５Ｇスモール基地局の別の設置状態を示す図。 反射鏡が設けられた前記５Ｇスモール基地局を示す縦断面図。 レンズが設けられた前記５Ｇスモール基地局を示す縦断面図。 前記５Ｇスモール基地局の回路構成を示すブロック図。 アダプティブ・アレイ・アンテナの動作原理図。 本実施形態の道路灯兼５Ｇスモール基地局によるネットワークの高密度化を示す概念図。

以下、図面を用いて、本発明の基地局機能と照明機能を併せ持つ機器の実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る機器１０の概略構成図である。機器１０は、複数のＬＥＤ素子（発光素子）１と、複数のアンテナ素子２と、これら２種類の素子が平面状に配置されている基板３Ａと、基板３Ａを入れる筐体４Ａと、を備える。基板３Ａは、ＬＥＤ素子１の放熱板としての役目を兼ねている。図中のＬＥＤ素子１およびアンテナ素子２の配列は一例に過ぎず、機器１０の用途に応じて、配列パターンや各素子の個数を設定すればよい。ＬＥＤ素子１およびアンテナ素子２の間隔は、互いの影響が抑制されるように、例えばＬＥＤ素子１に流れる誘導電流が抑制されるように、少なくとも使用電波の１波長以上になっている。

図１では、Ｘ－Ｙ軸で示すＸＹ平面が水平面であり、Ｚ軸が垂直軸である。すなわち、図１の機器１０のアンテナ面および発光面は垂直になっている。アンテナ素子２については、少なくとも５素子以上、好ましくは１０素子以上、多くとも５０素子程度のアンテナ素子２が水平方向に並ぶように配置されているのがよい。これらの微小なアンテナ素子は、送受信で共用され、短時間で送信と受信とが切り替えられるようになっている。アンテナ素子２同士の間隔は、使用電波の半波長（λ／２）にするとよい。

なお、個々のアンテナ素子２について、アンテナ素子２のアンテナ長さ（通常、半波長の長さである。）の方向が水平になる向きで基板３Ａ上に固定してもよい。アンテナ素子２から放射される電波（電磁波）の電界成分の偏波面はアンテナ長さの方向と同様に水平になる。電波（電磁波）の電界成分が水平偏波であると、建物などの水平方向の金属といった導体の影響を受けやすくなり、電界成分が垂直偏波である場合よりも、減衰しやすくなる。本実施形態において、アンテナ素子２のアンテナ長さの方向を水平にした場合、当該アンテナ素子２を備えた機器１０からの電波（電磁波）は、隣りの別の機器によって形成されるスモールセルエリアへ影響を与えにくくなり、スモールセルによる通信ネットワークの安定化に寄与する。

具体的には、水平方向に並んだ１０素子のアンテナ素子２のグループが、垂直方向に合計で８段分形成されており、アンテナ素子２は合計８０素子である。アンテナ素子２の配列については、２段ごとに大きな間隔が設けられており、その大きな間隔に３素子のＬＥＤ素子１が水平方向に並んで配置されている。ＬＥＤ素子１については、３素子ずつのグループが垂直方向に３段分あって合計９素子である。

基板３Ａには、複数のアンテナ素子２の配列によって、電波の指向性を制御可能なアダプティブ・アレイ・アンテナ（以降、アレイ型アンテナ２Ａと呼ぶ。）が形成され、基地局機能を発揮する。また、基板３Ａには、複数のＬＥＤ素子１を備える発光面１Ａも形成され、照明機能が発揮される。機器１０の用途に応じて、基板３Ａの片面または両面にこれらの素子が配置されている。

例えば２８ＧＨｚ帯用のアンテナ素子のサイズは、非常に微小になり、アレイ状に配置された個々の微小なアンテナ素子２からそれぞれ発せられる電波が、マクロ的にみると所定の方向に進行する平面波となる。

送信の場合は、各アンテナ素子２に供給する高周波の駆動電圧の位相を、配列方向に沿って徐々に変化させる（目的の方向に応じた位相差を与える）ことによって、アレイ型アンテナ２Ａからの平面波を任意の目的の方向へ放射することができる。

受信の場合は、各アンテナ素子２の受信信号に目的の方向に応じた位相差を与えたものを合成することによって、任意の目的の方向から放射された電波に絞って受信することができる。

機器１０の用途として、後述の道路灯兼基地局だけでなく、壁掛け型・自立型の電飾看板、電飾広告塔、電飾掲示板など、平面状の発光面を有する各種機器に、基地局機能を付与させたい場合に、本実施形態の機器１０が好適である。照明用に限らず、広告用、交通情報表示用など、さまざまな用途に適用できる。

本実施形態の機器１０によれば、複数のＬＥＤ素子１による発光面１Ａと、複数のアンテナ素子２によるアレイ型アンテナ２Ａとを同じ基板３Ａの表面に形成すればよいので、基地局機能と照明機能を併せ持った機器１０を容易に製造できる。また、同じ基板３Ａに形成できるという点で機器１０の省スペース化が図れる。また、アレイ型アンテナ２Ａの指向性制御機能を用いれば、アンテナ面から鋭いビーム状電波を形成でき、かつ、そのビーム状電波の方向を変化させることもできる。

従って、小型基地局と移動端末との間で、高速通信・大容量通信を実現させるために、２０～９０ＧＨｚの範囲内の使用周波数帯域の指向性電波用の小型基地局を多数設置したい、という場合に、既存の照明設備（道路灯など）、道路情報表示器、広告塔などを本実施形態の機器１０に置き換えることが可能となり、小型基地局の設置場所の確保が容易になるという効果がある。また、機器１０のアンテナ面を垂直にして用いれば、指向性制御下でのアンテナの利得が高まって、基地局としての性能を維持しやすい。さらに、基地局と照明装置が独立している場合よりも、これらの機能が一体に形成されている方が、道路灯などの意匠性を高めることができる。

図２は、第２実施形態に係る道路灯兼５Ｇスモール基地局の概略構成図である。前述の実施形態と同様に、道路灯兼５Ｇスモール基地局（以下、単にスモール基地局と呼ぶ）２０においても、筐体４Ｂ内に基板３Ｂが設けられ、基板３Ｂの表面にＬＥＤ素子１とアンテナ素子２の配列パターンが形成されている。以下、相違点についてのみ説明する。

本実施形態のスモール基地局２０では、基板３Ｂの上側エリアに、１１行×１０列の合計１１０素子のアンテナ素子２を備えるアレイ型アンテナ２Ｂが形成され、基板３Ｂの下側エリアに、３行×３列の合計９素子のＬＥＤ素子１を備える発光面１Ｂが形成されている。例えば、上述した２８ＧＨｚ帯の高周波数帯域用のアレイ型アンテナ２Ｂは、半波長が５ｍｍ程度であるから、半波長（λ／２）のピッチで縦横に１０素子ずつ配置した場合に、アンテナ素子２よりも断然少ない数のＬＥＤ素子１のエリアを含めても、スモール基地局２０のサイズは、縦横１０ｃｍ程度、奥行き数ｃｍ程度の大きさに収まる。よって、高さ１０ｍ程度の位置に道路灯としてポール等の上部に乗せることが十分に可能なサイズになる。

なお、本実施形態のスモール基地局には、数十から数百素子程度の大量のアンテナ素子２が含まれるのに対し、ＬＥＤ素子１の数は、数個から数十個程度であり、アンテナ素子の数よりも明白に少ない。

また、ＬＥＤ素子１の前方には、ＬＥＤ素子１ごとに反射鏡５が設けられており、その反射鏡５によって照射方向が変わる。反射鏡５は、ＬＥＤ素子１から一定の間隔を空けて、筐体４Ｂに支持されている。数個のＬＥＤ素子１のグループごとに反射鏡５を設けてもよいし、反射鏡５の代わりに同等の機能を有するレンズを設けてもよい。このような反射鏡５によって、ＬＥＤ素子１の照射方向を、アンテナ面の法線方向とは異なる方向に変更することができる。例えば、アレイ型アンテナ２Ｂによる指向性の方向を主に水平にしつつ、照射方向については照射の目的の方向に向ける、といった使用方法が可能になり、スモール基地局２０の用途が広がる。

図３は、第３実施形態に係る道路灯兼５Ｇスモール基地局の概略構成図である。このスモール基地局３０は、第２実施形態のスモール基地局とほとんど同じ構成であるが、筐体４Ｃの底面に道路脇灯６が設けられている点に特徴がある。このスモール基地局３０は、道路灯として地上から１０ｍ程度の高さに設置されるものであるから、照射対象は道路および道路脇である。道路脇灯６は、基板３Ｂに形成された発光面１Ｂからの照射光が届かないような範囲（道路脇など）を照射するための専用ランプである。

次に、図４から図６を用いて、上述のスモール基地局２０，３０を道路灯としてポール上に設置した状態について説明する。図４の立面図によると、スモール基地局２０は、道路脇に立設されたポール４０の頂部に、アンテナ面および発光面が垂直になる姿勢で、固定されている。図４ではアンテナ面および発光面が紙面と直交する。符号６０は、スモール基地局２０の筐体内の発光面から出射し、ＬＥＤ素子の前方に設けられた反射鏡によって斜め下方に方向を変えて道路面を照射する光束のイメージである。符号７０は、スモール基地局２０のアンテナ面からほぼ水平に（やや下方寄りの水平方向に）発せられる指向性電波のイメージである。

図４のスモール基地局２０によれば、基板においてアレイ型アンテナのエリアと発光素子のエリアとが上下に離れているので、上側のアンテナ面からは主に水平方向への指向性電波（イメージ７０）が発射され、下側の発光面からは斜め下方への照射光（イメージ６０）が照射される。従って、スモール基地局２０からより遠方への電波の到達を見込め、スモール基地局２０の斜め下方へ照射光を導きやすい構成になっている。

図５の立面図では、スモール基地局３０が同様にポール４０の頂部に固定されている。スモール基地局３０には、筐体の底面に道路脇灯６が設けられているので、符号８０の光束のイメージに示すように、道路灯の下部である道路脇が確実に照射される。

図６の立面図では、アンテナ面が垂直面に対して１０°程度斜め下向きになるように、スモール基地局２０がポール４０に固定されている。このようにアンテナ面を傾斜させれば、指向性制御下でのアンテナの利得をある程度高く維持したまま、道路脇灯６によらずに道路脇にも光束を当てることができる。また、反射鏡によって照射方向をできるだけ下向きにしたい場合にも都合がよい。

図４～６に示す各実施形態のスモール基地局２０，３０を道路灯として用いた場合の効果を説明する。アレイ型アンテナについては、最もアンテナ利得を高くする（基地局機能を最大限に発揮させる）には、アンテナ面を垂直に設置するのがよい。なぜなら、電波発信方向が、アンテナの主方向（つまり、アンテナ面に対する法線方向）から外れると、アンテナの利得が小さくなるからである。任意の方向へ鋭いビーム状の指向性電波を発射するには、アンテナ面を垂直に設置するのが最も効果的である。

一方、従来の道路灯では、照射方向を下向きにするのが通常であるため、ＬＥＤ素子の発光面を水平にすることが多かった。このことは、アレイ型アンテナとＬＥＤ素子の発光面とを組み合わす際の支障になる。本実施形態のスモール基地局２０，３０の構成によれば、反射鏡５やレンズ８を用いて、ＬＥＤ素子１の照射方向を任意に設定できるようにしたため、垂直設定が好ましいアンテナ面と、水平設定が好ましいＬＥＤ素子の発光面との組合せが可能になった。

なお、図４～６に示す基地局２０，３０の設置状態についての変形例を示す。つまり、３基、４基など複数の基地局２０を組み合わせて、ポール４０上部に道路灯として設置してもよい。複数の基地局２０は、各々の素子配置面が外向きになる姿勢で、ポール４０の中心軸の周りに配置されることになる。複数の基地局２０が、それぞれアレイ型アンテナの指向性制御を実行できるので、ほぼ水平方向に３６０度の方位角で指向性電波を発射させることができる。また、照明光についても、道路灯の下方および斜め下方に向けて、道路脇を含めてポール４０の周りを全周に渡って照射することができる。

図７を用いて、スモール基地局２０に設けられた反射鏡５の構成を具体的に説明する。図７は、スモール基地局２０を垂直な平面で切断した断面図である。反射鏡５は、ＬＥＤ素子１の前方に配置され、ＬＥＤ素子１からの光束を斜め下方に反射させる反射面を有している。反射鏡５は、ＬＥＤ素子１ごとに設けられ、それぞれ支持板９（筐体４Ｂと兼用してもよい。）に形成された開口部の上縁に固定されている。反射面の形状は、全体的に曲面であり、支持板９への取付部の付近ではほぼ水平であるが、取付部から離れるに連れて徐々に斜め下向きに傾斜するような形状になっている。

また、基板３Ｂと支持板９間にはスペースが設けられており、基板３Ｂ上のＬＥＤ素子１の周りには放物面鏡７が固定されている。放物面鏡７によって、ＬＥＤ素子１からの光束が効率よく反射鏡５に導かれる。

図８の縦断面図には、スモール基地局２０に設けられたレンズ（反射集光素子）８の構成が示されている。レンズ８は、反射鏡５の代わりに、ＬＥＤ素子１からの光束の進行方向を変える光学素子である。レンズ８は、ＬＥＤ素子１ごとにその前方に配置され、それぞれ支持板９の開口部を覆うように、その支持板９に固定されている。レンズ８は、ＬＥＤ素子１からの照射光の入射面８Ａと、入射した照射光を斜め下方へ全反射させる内部反射面８Ｂと、それら斜め下方へ進む全反射後の照射光を照射目標に向けて出射させる出射面８Ｃと、を有し、出射面８Ｃにはフレネルレンズ構造が形成されている。つまり、レンズ８は、その側面が入射面８Ａであり、レンズ上側に内部反射面８Ｂが形成され、下側にフレネルレンズ構造の出射面８Ｃが形成されている。

図８のレンズ８を用いれば、内部反射面８Ｂにおける全反射によって、ＬＥＤ素子１からの照射光の向きを効率よく変えることが可能で、かつ、フレネルレンズ構造を有する出射面８Ｃによってコンパクトな光学素子を形成でき、照射光を無駄なく目標に向けて照射することができる。

図９に、各実施形態のスモール基地局に共通する回路構成のブロック図を示す。図９のように、スモール基地局は、さらに、ＬＥＤ電源回路（直流電源回路）２１と、基地局回路２２とを備えている。ＬＥＤ電源回路２１は、外部の交流電源を用いて、力率の改善を行い、調光信号の指令に基づいて低電圧の直流に変換し、各ＬＥＤ素子１へ照明用直流電力を出力する。

また、ＬＥＤ電源回路２１は、上記の変換後の低電圧直流電力を電源電圧として、基地局回路２２にも供給する。そして、基地局回路２２は、ＬＥＤ電源回路２１からの供給電力を使って、各アンテナ素子２への駆動電圧を生成供給する。

基地局回路２２は各アンテナ素子２と電気的に接続されている。基地局回路２２は、光ファイバーを通して上位からの指令を受け取り、アンテナ素子２毎に設けられた移相器２３および振幅調整器２４を制御し、送信時は、任意の方向へ平面波を発射し、受信時は、任意の方向からの平面波を受信する。ここで、移相器２３が、各アンテナの信号の位相を調整し、振幅調整器２４が、その振幅を調整する。

このようなスモール基地局の回路構成によれば、基地局回路２２が、ＬＥＤ電源回路２１から低ノイズの良質な直流電源の供給を受けるので、低ノイズで安定した通信状態を提供することができる。

図１０はアダプティブ・アレイ・アンテナ（アレイ型アンテナ）の動作原理図である。アンテナの基準点から各アンテナ素子２-ｎ（ｎは１～Ｎの自然数）までの距離ｄｎおよび受信電波の入射角度θに応じて、移相器２３-ｎおよび振幅調整器２４-ｎが各アンテナ２-ｎの受信信号の位相および振幅を調整する。例えば、距離ｃτｎに相当する位相分だけ、受信信号の位相を遅らせる。位相を進めたい場合は、全体の位相を一様に遅らせてから距離ｃτｎに相当する位相分だけ進めるという処理を行う。この結果、所望の方向からの信号の利得を上げることができる。なお、ｃは受信電波の伝搬速度である。

図１１は、道路灯兼５Ｇスモール基地局２０，３０によるネットワークの高密度化の実現を示す概念図である。従来のマクロ基地局と対比して示す。５Ｇスモール基地局を道路灯のポールに照明と兼用して設置する手法を採用すれば、多数のスモール基地局の設置場所の確保が容易になるという効果がある。また、任意の水平方向へ鋭いビーム状のミリ波などを発射できるアレイ型アンテナを垂直に設置することができるので、アンテナの利得が大きくなるという効果もある。また、アレイ型アンテナからのビーム状のミリ波等による発射と道路灯からの照射とが干渉するという問題もない。

１ ：ＬＥＤ素子（発光素子）
１Ａ ：発光面
２ ：アンテナ素子
２Ａ ：アダプティブ・アレイ・アンテナ（アレイ型アンテナ）
３Ａ ：基板
４Ａ ：筐体
５ ：反射鏡
６ ：道路脇灯
７ ：放物面鏡
８ ：レンズ（反射集光素子）
８Ａ ：入射面
８Ｂ ：全反射面
８Ｃ ：フレネルレンズ面
９ ：支持板
１０ ：機器
２０，３０：道路灯兼５Ｇスモール基地局（基地局）
２１ ：ＬＥＤ電源回路
２２ ：５Ｇ基地局回路
２３ ：移相器
２４ ：振幅調整器
４０ ：ポール（支柱）
６０ ：道路灯から照射される光束のイメージ
７０ ：スモール基地局から発射される指向性電波のイメージ
８０ ：道路脇灯から照射される光束のイメージ

Claims (12)

1. 少なくとも一方の表面に配置された複数のアンテナ素子と複数の発光素子とを有する基板を備え、
   複数の前記アンテナ素子は、電波の指向性を制御可能なアレイ型アンテナを形成し、
   同じ前記基板に複数の前記発光素子と複数の前記アンテナ素子の両方がそれぞれ平面状に配置されていることを特徴とする基地局機能と照明機能を併せ持つ機器。
2. 請求項１記載の機器において、
   前記発光素子と前記アンテナ素子とは少なくとも使用電波の１波長分以上の間隔で配置されていることを特徴とする基地局機能と照明機能を併せ持つ機器。
3. 請求項１または２記載の機器において、
   １つの前記発光素子ごとに、または、複数の前記発光素子ごとに、反射鏡またはレンズが配置され、当該反射鏡またはレンズは、前記発光素子の照射方向を変えるように形成されていることを特徴とする基地局機能と照明機能を併せ持つ機器。
4. 請求項１または２記載の機器において、
   １つの前記発光素子ごとに、または、複数の前記発光素子ごとに、光学的な反射集光素子が配置され、
   当該反射集光素子は、
   前記発光素子からの照射光の入射面と、
   入射した照射光を全反射させる内部反射面と、
   その全反射後の照射光を照射目標に向けて出射させる出射面と、を有し、
   前記出射面には、フレネルレンズ構造が形成されていることを特徴とする基地局機能と照明機能を併せ持つ機器。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の機器は、さらに、
   外部からの交流電源から、複数の前記発光素子への照明用直流電力に変換生成する直流電源回路と、
   複数の前記アンテナ素子への駆動電圧を生成供給する基地局回路と、を備え、
   前記直流電源回路が生成した照明用直流電力の一部が前記基地局回路へ供給されるように、前記直流電源回路と前記基地局回路が接続されていることを特徴とする基地局機能と照明機能を併せ持つ機器。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の機器において、前記アレイ型アンテナのアンテナ面が垂直に設けられていることを特徴とする基地局機能と照明機能を併せ持つ機器。
7. 請求項２から５のいずれかに記載の機器において、前記アレイ型アンテナのアンテナ面が、垂直面に対して０°より大きく２０°以下の角度で斜め下向きの傾斜面を形成していることを特徴とする基地局機能と照明機能を併せ持つ機器。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の機器を備える基地局。
9. 請求項１から７のいずれかに記載の機器を備える照明装置。
10. 請求項２から７のいずれかに記載の機器を備える道路灯。
11. 請求項１０記載の道路灯において、
    前記基板の表面の上側エリアに複数の前記アンテナ素子を備えるアンテナ面が形成され、
    前記基板の表面の下側エリアに複数の前記発光素子を備える発光面が形成されていることを特徴とする道路灯。
12. 請求項１０または１１記載の道路灯において、
    当該道路灯は、複数の前記基板を含み、
    複数の前記基板は、各々の素子配置面が外向きになる姿勢で、当該道路灯を支持する構造物の中心軸の周りに配置されていることを特徴とする道路灯。

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